Лавинные фотодиоды (лфд).

В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу­проводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приоб­рести кинетическую энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с напряженностью электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим, что при некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увели­чению плотности тока, т.е. к электрическому пробою полупроводни­ка. Следовательно, для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру -фотодиода дополнительного -- перехода, усиленное обратным смещением, рис. 8.

При воздействии оптического излучения мощностью W на -слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю - слоя, проис­ходит направленное движение носителей к соответствующим полю­сам батареи смещения.

При попадании свободных электронов из - слоя в - слой их ускоре­ние становится более ощутимым из-за высокой напряженности элек­трического поля -- перехода. Ускоряясь в зоне проводимости - слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электро­на из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости -слоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением.

Условия лавинного умножения достигаются увеличением напря­жения обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на -- переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 10⁵ В/см). Элек­троны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости.

Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается ко­эффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой:

,

где - напряжение обратного смещения; - напряжения про­боя; величина = 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.

Величина фототока через нагрузку для ЛФД определяется по формуле

.

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током фотодиода.

Коэффициент умножения принимает различные значения в за­висимости от напряжения смещения. При происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения порядка 10³...10⁴. При низком напряжении ЛФД работает как фотодиод без усиления (умножения). Суще­ствует пороговое напряжение для получения лавинного про­цесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излуче­ния. Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0.95

Лавинный фотодиод с коэффициентом М=100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации явля­ются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении приложенного смещающего напряжения и, следова­тельно, зависит от коэффициента умножения М.

Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения R на границе «полупроводник-воздух». Для уменьшения френелевского отраже­ния обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения

и показателем преломления, в идеальном случае равным , где и - показатели преломления полупроводникового материала и воздуха.

На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличиваю­щая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид крем­ния Si₃N₄. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность на 20 %.